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1、第7章 磁电式传感器,任课教师：彭东青,发动机控制系统中用于检测汽车车速的传感器。利用车速传感器输出的信号，控制电脑可以控制发动机怠速、自动变速器换档及发动机冷却风扇的开闭等其它功能。在欧洲、北美、亚洲的各种汽车上比较广泛地采用磁电式车速传感器。,1、车速传感器,2.机载振动检测系统,飞机飞行过程发动机运转的平衡和空气动力的作用，都会引起各部分产生不同程度的振动，当振动量过大，将会造成飞机构件的损坏。因此为了确保飞行安全，在飞机设计中，对一些重要部件如发动机、机身、机翼等，都必须在地面进行振动实验，以保证这些部件的结构设计是否合理，零件加工和装配是否符合质量要求，在这些试验中，广泛采用磁电式振
2、动传感器。,7.1 磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器,磁电感应式传感器，是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成感应电势输出的一种传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。由于它输出功率大，故配用电路较简单，得到普遍应用。,7.1 磁电感应式传感器,由电磁感应定律可知：,7.1.1 磁电感应式传感器工作原理,（1）导体不动，由于磁场大小或方向变化将产生感生电动势,（2）由于导体在磁场中运动（v不平行于B)将产生动生电动势,因此产生感应电动势的方法有两个：,（2）线圈相对磁场运动切割磁力线；,（1）使磁路磁通量发生变化；,根据以
3、上原理，可设计出两种磁电感应式传感器结构：变磁通式（变磁阻式）、恒磁通式。,1、变磁阻式磁电式传感器工作原理,这类传感器的线圈和磁铁部分静止不动，与被测物连接而运动的部分是用导磁材料制成的，在运动中，它们改变磁路的磁阻，因此改变穿过线圈的磁通量，于是在线圈中就会产生感应电动势。,结构简单、牢固、价格便宜，被广泛用于车辆上作为检测车轮转速的轮速传感器。上图为变磁通式磁电传感器的结构原理。其中传感器线圈、磁铁和外壳均固定不动，齿轮安装在被测的旋转体上。,变磁阻式磁电传感器结构分为两种：开磁路和闭磁路两种。,(1)开磁路式结构,线圈、磁铁静止不动,齿的凹凸使磁路磁阻周期变化,线圈中感应电动势变化频率
4、等于磁通变化频率，也就是等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积，即,Z为齿轮齿数，n为被测体的转速(r/min),这种结构简单，但输出信号较小，适用于转速较低或振动不太强烈的场合,(2)闭磁路式结构,1、永久磁铁 3、线圈，5、内齿轮 6、外齿轮 7、被测转轴,它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。显然，感应电势的频率也与被测转速成正比。,2、恒磁通式磁电传感器工作原理（相对运动式）,磁路系统（永
5、久磁铁）产生恒定的直流磁场，磁路中的气隙固定不变，因而气隙中磁通是恒定的，运动部件可以是线圈，也可以是磁铁，二者之间只要有相对运动，就会使线圈切割磁力线产生感应电动势。,图7-2 恒磁通式磁电传感器结构原理图（a）动圈式；(b)动铁式,使用时，磁电式传感器于被测物体紧固在一起，当物体振动时，传感器外壳也随之振动。由于弹簧非常软、轻，运动部件（绕扎在金属骨架上的线圈）质量相对较大，当物体振动频率足够高时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动，振动能量几乎全部被弹簧吸收，永久磁铁于线圈之间的相对运动速度就接近于振动体的振动速度。磁铁与线圈的相对运动速度切割磁力线，从而产生感应电动
6、势。,设线圈运动空间的工作气隙磁场磁感应强度B是均匀的，线圈的匝数为W，l 为线圈平均长度，当线圈与磁场的相对运动速度为dx/dt时，则线圈的感应电动势为：,为线圈运动方向与B的夹角,当=90,因此，当线圈匝数，工作气隙磁感应强度，线圈有效长度不变时，感应电动势大小与被测速度成正比。,7.1.2 磁电感应式传感器的非线性误差,磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是:由于传感器线圈内有电流I流过时,将产生一定的交变磁通I,此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上,使恒定的气隙磁通变化如图所示。,图7-4 传感器线圈电流的磁场效应,1、当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时,将产生较大的
7、感生电势E和较大的电流I,由此而产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反,减弱了工作磁场的作用,从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。,2、当线圈的运动速度与图中所示方向相反时,感生电势E、线圈感应电流反向,所产生的附加磁场方向与工作磁场同向,从而增大了传感器的灵敏度。,其结果是线圈运动速度方向不同时，传感器的灵敏度具有不同的数值，即传感器输出具有非线性特性，且传感器灵敏度越高，线圈中电流越大，这种非线性越严重。,7.1.3 磁电感应式传感器的测量电路,图7-5 磁电式传感器测量电路方框图,位移测量,加速度测量,磁电式传感器直接输出感应电势,且传感器通常具有较高的灵敏度,所以一般不需要
8、高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器,若要获取被测位移或加速度信号,则需要配用积分或微分电路。,7.1.4 动圈式振动速度传感器,JS-05型磁电式振动速度传感器,价格：490元,结构：钢制圆形外壳，里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外壳固定成一体，永久磁铁中间有一条小孔，穿过小孔的芯轴两端架起线圈和阻尼环，芯轴两端通过圆形膜片支撑架空且于外壳相连。,1、芯轴2、圆形外壳3、弹簧片4、铝支架5、永久磁铁6、线圈7、阻尼环8、引线,工作时,传感器与被测物体刚性连接,当物体振动时,传感器外壳和永久磁铁随之振动,而架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振动。因而,磁路空气隙中的线圈切割磁力线而产生正
9、比于振动速度的感应电动势,线圈的输出通过引线输出到测量电路。该传感器测量的是振动速度参数,若在测量电路中接入积分电路,则输出电势与位移成正比;若在测量电路中接入微分电路,则其输出与加速度成正比。,7.1.5 磁电感应式流量计,可以用来测量具有一定电导率的流体的流量。原理如图：,导电的流体在绝缘的导管中流动时，两电极之间的流体可以看作是一段长度为导管内径的导体垂直于磁场运动，这一段导体将产生一定大小的感应电动势。,设管道中流体的流速分布均匀，各处的流速皆为v，各处的磁感应强度皆为B，则感应电动势e大小为：,差动放大后输出为：,管道中流体的流量Q为：,所以流量计的输出输入关系为：,流量计的输出与被
10、测流量Q成正比，可以测量管道内流体的流量。,7.2 霍尔式传感器,7.2.1 霍尔效应及霍尔元件,在一块导体的两侧面ab通以电流，在导体的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场方向的另外两侧面cd上将产生电势，这种现象称霍尔效应。产生的电势称为霍尔电势。,1.霍尔效应,a,b,d,c,如图7-9所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板，导电板通以电流I，方向如图所示。导电板中的电流使金属中自由电子在电场作用下做定向运动。此时，每个电子受洛伦兹力fL 的作用，f=qVB，大小为fL=evB。方向呢？,根据左手定理或右手螺旋定则判断，并注意负电荷，所以方向与拇指方向相反，即
11、为图中红色箭头方向,霍尔效应原理分析：,此时电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在fL的作用下漂移，结果使金属导电板内侧面积累电子，而外侧面积累正电荷，从而形成了附加内电场EH，称霍尔电场，该电场强度为,式中,UH为内外两侧面的电位差。,霍尔电场的出现，使定向运动的电子除了受洛伦兹力作用外，还受到霍尔电场力的作用。,其力的大小为e EH，,方向呢，为图中绿色箭头所指方向。,因为与fL方向相反，所以阻止电荷继续积累。,eEH=eBv,即：EH=vB,此时电荷不再向两侧面积累，达到平衡状态。,当电子所受洛伦磁力与霍尔电场作用力大小相等方向相反，即,随着内、外侧面电荷的增加，霍尔电场增大，电子受到的
12、霍尔电场力也增大。,若金属导电板单位体积内电子数为载流子密度n，电子定向运动平均速度为v，则激励电流I=ne(bdx)/t=nebdv，即,将式（7-13）代入式,因而霍尔电势为：,霍尔电场,EH=vB，得,通常令RH=1/ne，称之为霍尔系数，其大小取决于导体载流子密度n,则,式中,KH=RH/d 称为霍尔片的灵敏度，它表示在单位磁感应强度和单位激励电流下，输出的霍尔电势。,霍尔电势为：,由上式可见，霍尔电势正比于激励电流I及磁感应强度B，其灵敏度与霍尔系数RH成正比，与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。,设导体材料的电阻率为，则霍尔元件激励极间电阻 R=l/(bd
13、)同时 R=U/I=El/I=El/(nevbd)，,引入迁移率（是指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度,=v/E）。,则,R=El/(nevbd)=vl/(nevbd)=l/(nebd),RH=,从上式可知，霍尔系数RH等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。若要霍尔效应强，则希望有较大的霍尔系数RH，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。,因此,霍尔系数,则,一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低，故只有半导体材料才适于制造霍尔片。,目前常用的霍尔元件材料有：锗、硅、等半导体材料。理想的材料是砷化钾(GaAs)的霍尔
14、系数大，电子迁移率高，温度系数也较小，输出特性线性度好。,图7-10 霍尔元件（a）外形结构示意图；（b）图形符号（c)实物,霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成的，如图7-10（a）所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四根引线：1、1两根引线加激励电压或电流，称激励电极（控制电极）；2、2引线为霍尔输出引线，称霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装的。在电路中，霍尔元件一般可用两种符号表示，如图7-10（b）所示。,2.霍尔元件基本结构,3.霍尔元件基本特性,因霍尔电势随激励电流增加而线性增加，所以使用中希望选用尽可能大的激励电流，因而需要知道元件
15、的最大允许激励电流。改善霍尔元件的散热条件，也可以使激励电流增加。,(1)额定激励电流和最大允许激励电流,当霍尔元件自身温升10时所流过的激励电流称为额定激励电流。以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。,激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源内阻即两个霍尔电势输出端之间的电阻就是输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在205时所确定的。它的数值从几十欧到几百欧，视不同型号的元件而定；,(2）输入电阻和输出电阻,在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数。它同时也是霍尔
16、系数的温度系数。,(3）霍尔电势温度系数,KH=KH0(1+T),当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载（即开路）霍尔电势称为不等位电势，如图7-11所示。,图7-11 不等位电势示意图,B=0时，UAB0,(4）不等位电势和不等位电阻,不等位电势也可以用不等位电阻来表示：,r0=U0/I,霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。,不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，实际使用中要消除不等位电势是极其困
17、难的，因而必须采用补偿的方法。,产生不等位电势这一现象的原因有：,可以把霍尔元件等效为一个电桥，用分析电桥平衡来补偿不等位电势。,4.霍尔元件不等位电势的补偿,图7-12 霍尔元件的电桥等效电路,其中A、B为霍尔电极，C、D为激励电极，电极分布电阻分别用r1、r2、r3、r4表示，把它们看作电桥的四个桥臂。理想情况下，电极A、B处于同一等位面上，r1=r2=r3=r4，电桥平衡，不等位电势U0为0。实际上，由于A、B电极不在同一等位面上，此四个电阻阻值不相等，电桥不平衡，不等位电势不等于零。,补偿方法：可根据A、B两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡，从而使不等位电
18、势为零。几种补偿线路：如图7-13所示。图（a）为在一个桥臂上并联电阻，图（b）、（c）相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻，图（d）用于交流供电的情况。,霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。,5.霍尔元件温度补偿,（1）选用温度系数小的元件或采用恒温措施外；（2）由UH=KHIB可看出：采用恒流源供电，减小由于输入电阻随温度变化所引起的激励电流I的变化的影响，可以使霍尔电势稳定。,为了减小霍尔元件的温度误差：,霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数，它随
19、温度变化将引起霍尔电势的变化。大多数霍尔元件的温度系数是正值，霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成,KH=KH0(1+T),（7-20）,式中：KH0温度T0时的KH值；T=T-T0温度变化量；霍尔电势温度系数。,抵消灵敏系数KH温度系数的影响的原理,霍尔电势因灵敏系数KH随温度升高而增加 KH0T;如果同时让激励电流I H相应地减小，并能保持KH I H 乘积不变则霍尔电势不变。,图7-14就是一个既简单，补偿效果又较好的补偿电路。电路中Is为恒流源，分流电阻Rp与霍尔元件的激励电极（即输入电阻）相并联。当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻Rp自动地增大分流，减小了霍尔元件
20、的激励电流IH，从而抵消灵敏系数KH随温度升高而增加带来的影响。,图7-14 恒流温度补偿电路,补偿电路：,在图7-14所示的温度补偿电路中，设初始温度为T0，霍尔元件输入电阻为Ri0，灵敏系数为KH0，分流电阻为Rp0，根据分流原理得,（7-21）,当温度升至T时，电路中各参数变为,（7-22）,（7-23）,式中：霍尔元件输入电阻温度系数；分流电阻温度系数。,则,（7-24）,温度升高了T，为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足温升前、后的霍尔电势不变，即UH0=UH，则,KH0IH0B=KHIHB,（7-25）,KH=KH0(1+T),有,KH0IH0=KHIH,（7-26）,将式（7-20
21、）、（7-21）、（7-24）代入上式，经整理并略去(T)2高次项后得,（7-27）,当霍尔元件选定后，它的输入电阻Ri0和温度系数及霍尔电势温度系数是确定值。由式（7-27）即可计算出分流电阻Rp0及所需的温度系数值。为了满足Rp0及两个条件，分流电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合，这样虽然麻烦但效果很好。,1、霍尔转速表,在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。,S,N,霍尔器件,磁铁,7.2.2 霍尔传感
22、器的应用,霍尔转速表原理,当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。,2、霍尔高斯计（特斯拉计）的使用,霍尔元件,磁铁,4、霍尔式转速传感器转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一次小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数（即霍尔电势变化频率），根据转盘上叶片数目多少便可知被测转速。,N为转盘叶片数,n为被测体的转速,在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。圆盘每转动一圈，霍尔传感器便输出一个脉冲。通过单
23、片机测量产生脉冲的频率，就可以得出圆盘的转速。同样道理，根据圆盘(车轮)的转速，再结合圆盘的周长就是计算出物体的位移。如果要增加测量位移的精度，可以在圆盘(车轮)上多增加几个磁钢。,详细介绍：A3144E系列单极高温霍尔效应集成传感器是由稳压电源，霍尔电压发生器，差分放大器，施密特触发器和输出放大器组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号，可直接和单片机I/O口连接。,引脚功能:1-suply;2-ground;3-output.,商品编号：A3144E计量单位：只商品重量：0.004 kg商品简介：霍尔传感器价格：￥4.50,一、掌握磁电感应式传感器的工作原理、结构；二、理解磁电感应式传感器的应用:了解振动速度传感器、转动速度传感器的结构和原理；三、掌握霍尔效应和霍尔元件温度补偿四、理解霍尔式传感器的应用:了解霍尔式转动速度传感器的结构和原理；,本章教学要求：,作业布置：P124 7-8,作业布置：P124 7-8,
